Von der Biogasanlage zur Bioraffinerie

Die Transformation biogener Reststoffe in marktfähige Energieträger gilt als zentraler Hebel für eine klimaneutrale Energie- und Mobilitätswirtschaft. Das Projekt Pilot-SBG „Bioressourcen und Wasserstoff zu Methan als Kraftstoff“ betreibt auf dem Gelände des Deutschen Biomasseforschungszentrums in Leipzig eine Forschungsplattform, die genau diesen Ansatz verfolgt.

Die Anlage für synthetisiertes Biogas (SBG) bildet erstmals die gesamte Prozesskette von heterogenen Rest- und Abfallstoffen bis hin zu erneuerbarem Methan im Pilotmaßstab ab. Dabei werden biogene und strombasierte Pfade zu einem integrierten Bioraffinerie-Konzept verknüpft. Verarbeitet werden unterschiedliche Rest- und Abfallstoffen – von Stroh über landwirtschaftliche Rückstände bis hin zu Gülle und Bioabfällen. Ziel ist es, bislang wenig genutzte Stoffströme zu erschließen und flexibel in ein Gesamtsystem einzubinden.

Die Anlage ist als durchgängige Wertschöpfungskette konzipiert. Zunächst werden die Reststoffe durch anaerobe Vergärung in Biogas umgewandelt. Es folgt die Methanisierung unter Einsatz erneuerbaren Wasserstoffs. „Wir wollen das CO2 aus dem Biogas nicht einfach abtrennen, sondern vollständig nutzen“, erklärt Projektleiter Phillip Knötig vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ). In der nachgeschalteten Synthese wird CO2 gemeinsam mit grünem Wasserstoff zu zusätzlichem Methan umgesetzt. Damit entsteht ein Gasstrom, der perspektivisch nahezu vollständig aus Methan besteht − ein wesentlicher Unterschied zu konventionellen Biogasanlagen, bei denen CO2 als Nebenprodukt anfällt.

Gerade die Kopplung von Bio- und Power-to-Gas-Technologien bildet den Kern der Innovation: Während herkömmliche Anlagen auf die energetische Nutzung von Biogas beschränkt sind, erweitert die Pilotanlage das System um eine CO2-Verwertung. Neben Biomethan entsteht so zusätzlich synthetisches Methan im selben System. Die Anlage fungiert damit als Plattform für erneuerbare Gase, die insbesondere im Verkehrssektor als Kraftstoff eingesetzt werden können.

Verschiedene Ausgangsstoffe, verschiedene Behandlungen

Ein zweiter Innovationsschritt ist die Vorbehandlung der Einsatzstoffe. Lignozellulosehaltige Materialien wie Stroh werden hydrothermal behandelt – bei Temperaturen von etwa 170 bis 180 Grad Celsius und erhöhtem Druck. Dieser Schritt bricht die Struktur der Biomasse auf und verbessert die Verfügbarkeit für Mikroorganismen im Fermenter. Erste Ergebnisse zeigen eine deutlich erhöhte Prozessgeschwindigkeit, wodurch entweder kleinere Reaktoren ausreichen oder höhere Durchsätze möglich sind.

Die Pilotanlage ist modular aufgebaut: Sechs Reaktoren in drei parallelen Linien erlauben den direkten Vergleich unterschiedlicher Verfahrenskonzepte, etwa verschiedener Reaktortypen oder ein- und zweistufiger Vergärungsprozesse. 
Neben der Gasproduktion adressiert das Projekt auch die stoffliche Nutzung von Nebenprodukten. Gärreste werden aufbereitet, Wasser zurückgeführt und Nährstoffe möglichst in landwirtschaftliche Kreisläufe integriert. Ergänzend werden alternative Verwertungspfade wie die hydrothermale Karbonisierung untersucht, bei der Hydrokohle entsteht. Diese könnte perspektivisch als CO2-Senke oder stofflich genutzt werden, auch wenn hier noch regulatorische und qualitative Fragen offen sind.

Digitaler Zwilling hilft

Ein zentrales Element ist die Digitalisierung: Alle Prozessdaten werden in einem digitalen Zwilling abgebildet, der die Skalierung in industrielle Maßstäbe unterstützt. Auf dieser Basis lassen sich Bioraffinerie-Konzepte entwickeln und bewerten. „Wir gehen bewusst den Weg vom Labor über die Pilotanlage bis hin zum realen Business Case“, so Knötig. Erste Ergebnisse zeigen Produktionskosten für erneuerbares Methan von etwas über zwei Euro pro Kilogramm − ein Wert, der sich bereits bestehenden Marktpreisen annähert, jedoch stark von Energiepreisen und regulatorischen Rahmenbedingungen abhängt. Durch verfahrens- und prozesstechnische Optimierungen sowie durch eine flexible Fahrweise sollen die Produktionskosten weiter gesenkt werden.

Das seit 2018 im Rahmen der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung und der Förderrichtlinie Entwicklung regenerativer Kraftstoffe (FRL ErK) laufende Projekt versteht sich damit nicht nur als technologische Demonstration, sondern auch als Brücke zur industriellen Anwendung. Die Anlage dient als offene Plattform für Forschung und Industrie und soll zeigen, wie sich bislang ungenutzte Reststoffe in eine funktionierende Kreislaufwirtschaft überführen lassen.